CN1850937A - 耐高温的高分子相变化材料 - Google Patents
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Abstract
一种耐高温的高分子相变化材料，其是聚醚脂肪酸酯。上述的聚醚脂肪酸酯的聚醚主链部分为聚乙二醇或聚丁二醇，聚醚脂肪酸酯两端部分的脂肪酸酰基较佳为硬脂酸酰基、棕榈酸酰基或月桂酸酰基。
Description
技术领域
本发明是有关于一种相变化高分子材料，且特别是有关于一种耐高温的相变化高分子材料。
背景技术
相变化材料是一种在特定温度范围内可以由固相变化至液相或由液相变化至固相的物质，且在变化时会伴随大量潜热(latent heat)的吸收或释放。常见的相变化材料为石腊碳氢化物(paraffinic hydrocarbons；CnH2n+2)。相变化材料最大特点在于当其吸收或释放大量潜热时，可让***的温度维持一定。因此其常见应用之一即为利用此保温特性来制作保温纺织品。
目前，将相变化材料整合至织物的方式有两种。第一种为将相变化材料包埋在微胶囊中后涂布在纺织纤维或织物的表面；第二种则将相变化材料包埋在微胶囊中后，再加入至压克力的纺丝液中，再以湿式纺丝法(wet spinning)来制成压克力纤维。上述的两种方式，都是将相变化材料制作成微胶囊，其中的第一种方式是利用后整理加工方式，让包埋有相变化材料的微胶囊附着在纺织纤维或织物表面，因容易脱落，所以其应用有一定的限制。第二种方式为直接在纺丝上应用，因为使用溶剂，有溶剂回收及环保上的问题。
然而，一般常见的人造纤维，如压克力纤维(acrylic fibers)、尼龙纤维(nylonfibers)、聚酯纤维(polyester fibers)、聚丙烯纤维(polypropylene fibers)以及其他类似的人造纤维等等，只有压克力纤维可以使用湿式纺丝法来制造，其他多数的人造纤维都是利用熔融纺丝(melt spinning)法来制造。由于熔融纺丝法的进行温度高达200-380℃，且每平方英时必须要承受高达3000磅的压力。所以对目前常见的相变化材料来说，如长碳链的烷类以及美国专利公开号第2004/0026659号所揭示的羧酯类化合物(carboxylic ester)，由于热重分析显示上述材料的最大热重损失温度是在150℃左右，因此在熔融纺丝的条件下，可能会让相变化材料分解掉。目前已有一些研究在进行中，以解决上述问题。
例如，在美国第6689466号专利「Stable phase change materials for usein temperature regulating synthetic fibers，fabrics and textiles」中，揭示一种稳定相变组成包含相变化材料、抗氧化剂及热稳定剂。其中，上述的抗氧化剂及热稳定剂负责提供相变化材料的抗氧化性及热稳定性，以让此相变化组成可以加入可熔融母粒中，以进行各种高分子的熔融加工。
在美国第6793856号专利「Melt spinable concentrate pellets havingenhanced reversible thermal properties」中，揭示让相变化材料包覆在微胶囊中，或是让其直接浓缩在熔融纺丝母粒中。其中，熔融纺丝母粒的主成分为热塑性高分子(thermoplastic polymer)。
在与上述两篇专利有关的中国台湾第587110号专利「具有强化的可逆热学性质的多成份纤维以及制造方法」中，揭示由熔融纺丝法所制造的多成分纤维(multi-component fiber)。此多成分纤维是由至少两种纤维所组成的复合纤维，如海岛型纤维、芯鞘型纤维等。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐高温的相变化材料，使其适于高温加工。
本发明的另一目的是提供一种具有低熔点与高沸点的相变化材料，使其适于应用在调节人体温度上。
根据本发明的上述与其他目的，提出一种耐高温的高分子相变化材料，其是为一种聚醚脂肪酸酯，其固液态的相变化温度范围为0-80℃，且最大热重损失温度大于350℃。
依照本发明一较佳实施例，上述的聚醚脂肪酸酯的聚醚主链部分较佳为聚乙二醇或聚丁二醇，其中聚乙二醇的分子量较佳约为200克/莫耳至20,000克/莫耳，聚丁二醇的分子量较佳约为650克/莫耳至3,000克/莫耳。上述的聚醚脂肪酸酯两端部分的脂肪酸酰基的碳数较佳为4至28，更佳为硬脂酸酰基、棕榈酸酰基或月桂酸酰基。
根据本发明的上述与其他目的，提出上述的聚醚脂肪酸酯的制造方法。上述的聚醚脂肪酸酯是由聚醚二醇与脂肪酸进行酯化反应而得，或是由聚醚二醇与脂肪酸酰氯进行酯化反应而得。
让上述的聚醚脂肪酸酯在进行热重分析，显示上述材料的最大热重损失温度是在370-400℃左右，已经足以进行熔融纺丝加工。而且上述的聚醚脂肪酸酯的熔点约在16.3-57.6℃左右，与人体体温相近，因此十分适合用来调节人体体温。此外，上述的聚醚脂肪酸酯的原料十分容易取得，因此可大幅降低生产成本。
具体实施方式
本发明提供一种具有低熔点与高沸点特性的耐高温的高分子相变材料。由于人的体表温度约为30-35℃左右，若相变材料的熔点在人的体温附近则可应用在调节体温的衣物上。又以熔融纺丝所制造的人造纤维，所需的加工温度多在200-380℃左右，因此需要具有高沸点的相变材料，以利于以熔融纺丝来制造人造纤维。
本发明所提供的相变材料为一种聚醚脂肪酸酯，其固液态的相变化温度范围为0-80℃，且最大热重损失温度大于350℃。上述聚醚脂肪酸酯的聚醚主链部分较佳为聚乙二醇(polyethylene glycol；PEG)或聚丁二醇(polytetramethylene glycol；PTMG)；其中聚乙二醇的分子量较佳约为200克/莫耳至20,000克/莫耳，聚丁二醇的分子量较佳约为650克/莫耳至3,000克/莫耳。上述的聚醚脂肪酸酯两端部分的脂肪酸酰基的碳数较佳为4至28，例如硬脂酸酰基(stearoyl group；18个碳)、棕榈酸酰基(palmitoyl group；16个碳)或月桂酸酰基(lauroyl group；12个碳)。
上述的聚醚脂肪酸酯可以利用聚醚二醇与与脂肪酸进行酯化反应而得，或是由聚醚二醇与脂肪酸酰卤素(例如脂肪酸酰氯、脂肪酸酰溴或脂肪酸酰碘)进行酯化反应而得。上述的聚醚二醇较佳为聚乙二醇或聚丁二醇；其中聚乙二醇的分子量较佳约为200克/莫耳至20,000克/莫耳，聚丁二醇的分子量较佳约为650克/莫耳至3,000克/莫耳。
上述的脂肪酸可为饱和脂肪酸及其衍生物，或是具有一碳碳双键的不饱和脂肪酸及其衍生物。脂肪酸的碳原子数较佳为4至28，例如硬脂酸、棕榈酸或月桂酸。上述的脂肪酸酰卤素可为饱和脂肪酸酰卤素及其衍生物，或是具有一碳碳双键的不饱和脂肪酸酰卤素及其衍生物。脂肪酸酰卤素的碳原子数较佳为4至28，例如硬脂酸酰氯、棕榈酸酰氯或月桂酸酰氯。
根据上述，列出数个实施例以说明上述聚醚脂肪酸酯的制造方法如下。
实施例一
将60克的聚乙二醇600、57克的硬脂酸、1毫升的硫酸与200毫升的甲苯混合在一起，进行加热回流(reflux)反应来减少反应***里面的水份，以利酯化反应的进行。将产物纯化后，即得聚乙二醇600-二硬脂酸酯。接着，使用热示差扫描仪(Differential Scanning Calorimetry；DSC)来测量聚乙二醇600-二硬脂酸酯的熔点，测得熔点为38.4℃，以热重分析仪(ThermalGravity Analyzer；TGA)来分析聚乙二醇600-二硬脂酸酯的热重损失曲线，测得其最大热重损失温度约为389℃。
实施例二
将150克的聚乙二醇1500、57克的硬脂酸与1.0克的对-甲苯磺酸混合在一起之后，对上述的混合物进行加热并抽真空，以利除去反应***中的水份。经由纯化后，即得聚乙二醇1500-二硬脂酸酯。由热示差扫描仪所测得的聚乙二醇1500-二硬脂酸酯的熔点约为35.0℃，以热重分析仪所测得的聚乙二醇1500-二硬脂酸酯的最大热重损失温度约为392℃。
实施例三
将200克的聚丁二醇2000、60.6克的硬脂酸酰氯与200毫升的N，N-二甲基甲酰胺(N，N-dimethylformamide；DMF)混合在一起，然后进行加热反应，及同时捕捉并中和反应所生成的盐酸气体。经由纯化后，即得聚丁二醇2000-二硬脂酸酯。由热示差扫描仪所测得的聚丁二醇2000-二硬脂酸酯的熔点约为28.9℃，以热重分析仪所测得的聚丁二醇2000-二硬脂酸酯的最大热重损失温度约为398℃。
下面列出所制备出的高分子相变材料的物性。在表一中所列出的为聚乙二醇脂肪酸酯的熔点与最大热重损失温度，在表二中列出聚丁二醇脂肪酸酯的熔点与最大热重损失温度。表一显示出使用聚乙二醇所合成的聚醚脂肪酸酯，其熔点范围约为32-58℃左右，最大热重损失温度约为387-395℃，因此十分适于应用于以熔融纺丝来制造人造纤维。表二亦显示出使用聚丁二醇所合成的聚醚脂肪酸酯，其熔点略低，约为16-34℃左右而，最大热重损失温度约为376-396℃左右。
表一：聚乙二醇脂肪酸酯的熔点与最大热重损失温度
| 聚醚脂肪酸酯 | 熔点(℃) | 最大热重损失温度(℃) |
| 聚乙二醇6000-二硬脂酸酯 | 57.6 | 394 |
| 聚乙二醇6000-二月桂酸酯 | 57.6 | 389 |
| 聚乙二醇4000-二硬脂酸酯 | 55.0 | 390 |
| 聚乙二醇4000-二月桂酸酯 | 54.4 | - |
| 聚乙二醇2000-二硬脂酸酯 | 49.5 | 389 |
| 聚乙二醇1500-二硬脂酸酯 | 44.8 | 393 |
| 聚乙二醇1000-二硬脂酸酯 | 38.3 | - |
| 聚乙二醇600-二硬脂酸酯 | 38.5 | 389 |
| 聚乙二醇400-二硬脂酸酯 | 45.9 | 387 |
| 聚乙二醇200-二硬脂酸酯 | 45.0 | 388 |
表二：聚丁二醇脂肪酸酯的熔点与最大热重损失温度
| 聚醚脂肪酸酯 | 熔点(℃) | 最大热重损失温度(℃) |
| 聚丁二醇3000-二硬脂酸酯 | 29.0 | - |
| 聚丁二醇2000-二硬脂酸酯 | 28.9 | 399 |
| 聚丁二醇2000-二月桂酸酯 | 26.4 | 391 |
| 聚丁二醇1800-二硬脂酸酯 | 29.6 | - |
| 聚丁二醇1800-二月桂酸酯 | 24.3 | - |
| 聚丁二醇1000-二硬脂酸酯 | 31.0 | - |
| 聚丁二醇850-二硬脂酸酯 | 33.4 | 376 |
| 聚丁二醇850-二棕榈酸酯 | 29.3 | - |
| 聚丁二醇850-二月桂酸酯 | 16.3 | - |
由上述本发明较佳实施例可知，本发明利用容易取得的工业原料合成出具有低熔点且耐高温的新的相变材料。因此，十分适于与人造纤维原料一起进行熔融纺丝，以制造可调节人体温度的纺织品。本发明所提供的高分子相变材料，其应用方式可为将相变材料掺入熔纺母粒中，再使用熔融纺丝法来制造芯鞘型纤维或海岛型纤维。也可将相变材料溶解于纺丝液中，使用湿式纺丝法来制造人造纤维。亦可将相变材料熔融后，再以喷洒方式让其渗入纤维结构体中，使纤维结构体具有温度调节及蓄热保温功能。因此本发明所提供的耐高温相变材料具有十分广泛的应用性。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而其并非用以限定本发明，任何熟悉本技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的等效的改变或替换，因此本发明的保护范围当视后附的本申请权利要求范围所界定的为准。
Claims (16)
1.一种耐高温的高分子相变化材料，该高分子相变化材料为聚醚脂肪酸酯，其固液态的相变化温度范围为0-80℃，且最大热重损失温度大于350℃。
2.如权利要求1所述的耐高温的高分子相变化材料，其特征在于该聚醚脂肪酸酯的聚醚主链部分为聚乙二醇或聚丁二醇。
3.如权利要求2所述的耐高温的高分子相变化材料，其特征在于该聚乙二醇的分子量约为200克/莫耳至20,000克/莫耳。
4.如权利要求2所述的耐高温的高分子相变化材料，其特征在于该聚丁二醇的分子量为650克/莫耳至3,000克/莫耳。
5.如权利要求1所述的耐高温的高分子相变化材料，其特征在于该聚醚脂肪酸酯两端部分的脂肪酸酰基的碳数为4至28。
6.如权利要求1所述的耐高温的高分子相变化材料，其特征在于该聚醚脂肪酸酯两端部分的脂肪酸酰基为硬脂酸酰基、棕榈酸酰基或月桂酸酰基。
7.一种耐高温的高分子相变化材料的制造方法，其是由一聚醚二醇与一脂肪酸进行酯化反应而得，或是由该聚醚二醇与一脂肪酸酰卤素进行酯化反应而得，其中该脂肪酸酰卤素为脂肪酸酰氯、脂肪酸酰溴或脂肪酸酰碘。
8.如权利要求7所述的耐高温的高分子相变化材料的制造方法，其特征在于该聚醚二醇为聚乙二醇或聚丁二醇。
9.如权利要求8所述的耐高温的高分子相变化材料的制造方法，其特征在于该聚乙二醇的分子量为200克/莫耳至20,000克/莫耳。
10.如权利要求8所述的耐高温的高分子相变化材料的制造方法，其特征在于该聚丁二醇的分子量为650克/莫耳至3,000克/莫耳。
11.如权利要求7所述的耐高温的高分子相变化材料的制造方法，其特征在于该脂肪酸为饱和脂肪酸及其衍生物，其碳原子数为4至28。
12.如权利要求7所述的耐高温的高分子相变化材料的制造方法，其特征在于该脂肪酸为具有一碳碳双键的不饱和脂肪酸及其衍生物，其碳原子数为4至28。
13.如权利要求7所述的耐高温的高分子相变化材料的制造方法，其特征在于该脂肪酸为硬脂酸、棕榈酸或月桂酸。
14.如权利要求7所述的耐高温的高分子相变化材料的制造方法，其特征在于该脂肪酸酰卤素为饱和脂肪酸酰卤素及其衍生物，其碳原子数为4至28。
15.如权利要求7所述的耐高温的高分子相变化材料的制造方法，其特征在于该脂肪酸酰卤素为具有一碳碳双键的不饱和脂肪酸酰卤素及其衍生物，其碳原子数为4至28。
16.如权利要求7所述的耐高温的高分子相变化材料的制造方法，其特征在于该脂肪酸酰卤素为硬脂酸酰卤素、棕榈酸酰卤素或月桂酸酰卤素。
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